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運算放大器實戰(zhàn)入門 上 云南大學信息學院 何樂生 2010 4 為什么運算放大器如此重要 它幾乎是一切中低頻模擬電路的核心 可以說用好了運算放大器就可以設計大部分的模擬電路 為什么運算放大器如此重要 運算放大器主要的優(yōu)點和缺點 本講座的主要內(nèi)容 對設計者而言 運算放大器到底能解決什么問題 在運算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個最最重要 它們怎樣影響實際設計 我們常用的運放有哪些 各自在什么時候用 怎么對它們進行分類 運放電路設計時的基本原則有什么 運算放大器典型應用電路分析 本講座的主要內(nèi)容 對設計者而言 運算放大器到底能解決什么問題 在運算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個最最重要 它們怎樣影響實際設計 我們常用的運放有哪些 各自在什么時候用 運放電路設計時的基本原則有什么 運算放大器典型應用電路分析 運放到底能干什么 運放幾乎能夠解決 模擬電路基礎 書中又有的問題 但諸如模擬減法器 乘法器 ADC等應用由于需要精密的阻容元件 幾乎無法在實際設計中使用 好在模擬半導體供應商已經(jīng)將大部分上述功能做成了集成電路 無需我們在設計中用單獨的運放來完成 因此總結(jié)起來將 作為一個系統(tǒng)設計者而言 運放主要應用在以下方面 運放能為設計者解決什么問題 對于生物醫(yī)學工程 自動控制和功率電子等低頻應用 運算放大器能解決的問題可以說是萬變不離其宗 信號放大 阻抗變換 在反饋控制電路中充當比較環(huán)節(jié) 模擬濾波器 本講座的主要內(nèi)容 對設計者而言 運算放大器到底能解決什么問題 在運算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個最最重要 它們怎樣影響實際設計 我們常用的運放有哪些 各自在什么時候用 運放電路設計時的基本原則有什么 運算放大器典型應用電路分析 運算放大器的主要參數(shù) 運算放大器的數(shù)據(jù)手冊中各種參數(shù) 令人眼花繚亂 達到近百種 有些參數(shù)其實不一定很有用 本講座只重點介紹幾種 同時還要指出 通過舉例 指出這些參數(shù)對常見設計的影響 常見型號運放的這些參數(shù)值是多少 偏置電流IB 理想運放的輸入阻抗是無窮大 也就是沒有輸入電流 但實際上不可能做到 因此定義從同相端流入 反相端流出的電流較偏置電流 偏置電流對運放的性能較大 主要體現(xiàn)在 直接影響運放的輸入阻抗 體現(xiàn)為在影響輸出的靜態(tài)工作點 隨溫度漂移較大 致使系統(tǒng)不穩(wěn)定 性能隨溫度變化 怎樣對付IB 右圖是教科書上常見的一種做法 R3本來沒有任何意義 但這里用來平衡IB帶來的對工作點的影響 試想 沒有R3 且輸入為地 輸出也應該在工作點 地 附近 但IB會使輸出不為地 加入R3后 同相和反相端的輸入電阻平衡了 這樣會使輸出重新等于地 但是現(xiàn)代運放的IB較小 性能一般的LM358可以做到250nA以下 這樣在5k電阻上只產(chǎn)生1 25mV的工作點偏移 可以不考慮 因此現(xiàn)在通常情況下 可以不使用上述電路了 只需要考慮輸出電阻非常大的情況 例如 IB對心電放大器的主放大級的影響 偏置電流將在阻值為1M的電阻RMA1上產(chǎn)生誤差電壓 且這個電壓會被放大器的增益放大 如果仍然使用LM358則同相端將由于IB產(chǎn)生0 25V的誤差 這個誤差再被放大后將在輸出腳變成25V偏差 如果電源電壓足夠高的話 這會使整個放大器失效 CMOS和JFET運放的IB一般較小 MCP6002 CMOS 的偏置電流可達1pA左右 TL082 JFET 的偏置電流可達50pA以下 TLC2272 JFET 的偏置電流可達1pA左右 失調(diào)電壓Vo 指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補償電壓 它反映了運放本身輸入級的匹配程度 它本身并不大一般在5mV以下 精密運放一般可以達到100uV以下 目前最高精度的運放可以達到1uV以下 由于運放出廠后Vo基本不會變化 所以Vo只會對增益較大的直流應用產(chǎn)生影響 Vo對心電放大器的主放大級的影響 前級的儀用放大器輸出的信號經(jīng)過高通濾波器后進入主放大級的同相端 如果僅考慮直流情況 同相端將等于REF1 5 這樣輸入端將疊加上Vo放大101倍的結(jié)果 從而直接影響主放大器輸出信號的直流點 因此心電放大器的主放大器必須是一個偏置電流足夠小 失調(diào)電壓也較小的高性能運放 關(guān)于 偏置 和 失調(diào) 偏置 Bias失調(diào) Offset這是兩個非常容易混淆的概念 記住偏置指兩個量的平均值 共有部分 而失調(diào)是指兩個量的差 不同部分 可以容易的區(qū)分 對應輸入電流和電壓還應該有 失調(diào)電流 和 偏置電壓 兩個概念 但 失調(diào)電流 一般小于電流偏置 電壓偏置是由輸入信號決定的 所以這兩個參數(shù)并不常用 相關(guān)概念的比較 IB和Vo的溫漂 正如上面分析的IB和Vo主要影響運放輸出的工作點 但這種影響是固定的 也就是說 當運放被選定后IB和Vo引起的工作點的偏差也就固定了 這樣的誤差是可以通過人工調(diào)整去除 還好對付 但IB和Vo的溫漂是指IB和Vo隨溫度變化的大小就是一個幾乎不可去除的因素了 因為它們總在變化 因此對于特別精密 且工作環(huán)境溫度變換較大的電路IB和Vo也是考慮的重點 相關(guān)概念的比較 轉(zhuǎn)換速度 壓擺率 SR SR是運放輸出信號上升的最快速度 SR對運放應用的影響主要在兩方面 對幅度較大的正弦輸入 SR較小時可能造成信號失真 產(chǎn)生一個數(shù)字信號時 比如用運放做比較器時 輸出的數(shù)字信號上升沿不夠陡峭 SR和大幅度的正弦信號 正弦信號的最大上升速度出現(xiàn)在過零點處 且信號幅度越大 這個地方的上升速度也就越大 根據(jù)計算可知 SR和正弦信號頻率f以及幅度V0之間有以下關(guān)系 SR 2 fmax V0 輸出做為數(shù)字信號的運放的SR 做為跟隨器的運放OPArA的SR的大小將直接影響輸出數(shù)字信號的大小 因此做為這種應用的運放要選擇SR較大的信號 常見運放的SR LM358 LM324的SR僅有0 5V uS左右 MCP6002的SR也僅有0 5V uS左右 音頻運放的SR較高 因為據(jù)說有的耳朵能夠聽出SR的高低 TL082的SR達到13V uS TL2272的SR達到3V uS LF356的SR達到13V uS 輸入和輸出電壓范圍 運放是一種 線性器件 這意味著在任何情況下 不允許輸入電壓高于或低于電源電壓 輸出也不可能高于或低于電源電壓 在滿足上述條件的情況下也并不意味著 輸入電壓可以達到或接近電源電壓 輸出電壓可以達到或者接近電源電壓 實際上在經(jīng)典的技術(shù)中輸入和輸出的最大電壓都必須距離電源1 5V左右 TL082就屬于這類經(jīng)典器件 輸入和輸出電壓都必須距離電源一定范圍 如果輸入過大還將引起 翻轉(zhuǎn) 現(xiàn)象 但隨后出現(xiàn)了一個非常著名的運算放大器 LM358 LM324 LM321 它是美國國家半導體公司的標志性產(chǎn)品 它具有一個非常優(yōu)秀的特性 LM358的輸入和輸出可以達到甚至超過負電源 關(guān)于單電源和雙電源 隨著LM358這類輸入和輸出范圍可以達到電源的運放的引入 運放中出現(xiàn)了一個新的概念 單電源 運放 其實從本質(zhì)上講 運放只需要一對分別接在電源腳上的電源 且所有的輸入和輸出都不可以超過這對電源的范圍 因此 沒有什么單電源和雙電源之分 引申的概念 例如 諸如TL082之類的運放如果應用到單電源的系統(tǒng)中 只要工作點選擇合適 完全是可以的 關(guān)于單電源和雙電源 關(guān)于單電源和雙電源 但這樣做會帶來一個問題 輸入和輸出信號的范圍會減小很多 更為嚴重的是上圖電路的信號范圍無法達到GND 這是絕大多數(shù)單電源系統(tǒng)無法忍受的 而如果使用LM358這些輸入輸出范圍可以達到負電源的運放則沒有這個問題 于是就將這些輸入和輸出范圍可以達到負電源的運放稱為 單電源 運放 電源電壓范圍 這個概念通俗易懂 就是指工作時允許的電源電壓 但很重要 因為隨著嵌入式系統(tǒng)的普及 以及利用數(shù)字CMOS圓晶的下腳料制作運放的風氣的興起 運放被明顯的分為高電壓型和低電壓型 電源電壓范圍 低壓型的電源范圍一般在1 8 5 5V左右 我們常用的以MCP6002為代表 高壓型的是較早的型號 沒有固定值 典型的常用型號電源范圍 LM358等5V 32VTL0829V 30VTLC22724 5V 16V 軌到軌 Rail Rail 的引入 在3V電源的系統(tǒng)中 再使用LM358之類經(jīng)典運放 則3V的模擬電路工作范圍將有很大一部分浪費在輸入和輸出無法達到的 頭 和 腳 上 于是一種稱為 軌到軌 Rail Rail 的技術(shù)應運而生 這種技術(shù)允許輸入或輸出允許電壓達到或者非常接近電源電壓 軌到軌 軌到軌的運放分為 輸出軌到軌 和 輸入 輸出軌到軌 兩種 原因是輸入軌到軌會引起失調(diào)電壓的變化 從而帶來不必要的諧波失真 因此有的應用不能選用 使用軌到軌運放時 值得注意的是 能夠不用輸入軌到軌的時候盡量少用 軌到軌雖然意味著輸出電壓可以達到電源 但在接近電源電壓時運放的輸出能力將遠遠小于正常值 心電放大器中的這個主運放其實最合適使用 輸出軌到軌 的運放 因為它的增益很大 這樣輸入一般不可能達到電源 但輸出為了充分利用3V的電源 提高后續(xù)ADC的利用率 則需要使用軌到軌功能 也就是說更合適用OPA2335 但價錢不可同日而語 這是一個失敗的設計 本來先通過數(shù)字電位器和電位器調(diào)節(jié)OPA的同相輸入電壓 從而達到控制LM317公共端的目的 進而控制LM317的輸出電壓 但沒有注意到OPA在接近負電源軌也就是地時輸出電流很小 無法驅(qū)動RP1流入的電流 從而無法使運放的輸出達到地 也就無法使LM317輸出其最低電壓 1 25V 軌到軌運放舉例 TLC2272就屬于輸出軌到軌的運放 OPA2355也屬于輸出軌到軌的運放 低電源電壓運放 1 8 5 5V 則絕大多數(shù)屬于 輸入 輸出軌到軌 的運放 例如 MCP6002OPA2333 本講座的主要內(nèi)容 對設計者而言 運算放大器到底能解決什么問題 在運算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個最最重要 它們怎樣影響實際設計 我們常用的運放有哪些 各自在什么時候用 怎么對它們進行分類 運放電路設計時的基本原則有什么 運算放大器典型應用電路分析 運放的分類 速度 精度分按輸入結(jié)構(gòu)分電源分 按速度和精度分 大公司網(wǎng)站一般按照 高速 和 高精度 的原則對運放進行分類 高速放大器指帶寬在20MHz以上的放大器 這類放大器除了帶寬較寬以外 失調(diào)電壓較大 偏置電流也較大 所需電源電流較大 但轉(zhuǎn)換速度也大 高速運放又分為電流反饋型和電壓反饋性兩種 我實驗室并不常用 高精度運放 高精度運放則具有 較小的失調(diào)電壓 偏置電流 較大的開環(huán)增益 所需電流也較小 本試驗室常用 下面的幾種分類主要針對高精度運放進行 按輸入結(jié)構(gòu)工藝分類 按結(jié)構(gòu)或者說半導體工藝來分類 目前常見的運放有以下三種 完全雙極性工藝的運放 具有JFET輸入的運放 MOS FET工藝的運放 雙極性工藝 在三種基本的工藝中 雙極性工藝是最古老的半導體工藝 它完全由普通三極管構(gòu)成 因此其具有 優(yōu)勢 工作電壓范圍寬 失調(diào)電壓小 帶寬寬成本較低 劣勢 耗電高 偏置電流大 雙極型工藝 例如 LM358家族 OP07 uA741 MC34072等等 J FET輸入的工藝 為了增加運放的輸出電阻 降低偏置電流 將雙極性工藝的運放的輸入級變?yōu)榻Y(jié)型場效應管 當隨之而來的是J FET輸入的柵極電壓很難一致 需要激光修正 從而提高了成本 優(yōu)勢 偏置電流小 由于偏置電流小所以具有低的電流噪聲 在音頻領(lǐng)域有良好的應用 劣勢 失調(diào)電壓大 經(jīng)過特殊工藝調(diào)整可以降低 需要較高的工作電壓 帶寬窄 成本較高 J FET工藝 例如 LF家族 TL082等 OPA627 最貴的運放 AD8620等等 MOS FET工藝 MOS工藝的運放近年來興起的工藝 它是在利用制造數(shù)字IC剩余的圓晶面積上制造運放 因此多是一些數(shù)字電路廠商在生產(chǎn) 如TI Microchip等 優(yōu)勢 MOS輸入偏置電流小 功耗極低 成本極低 劣勢 失調(diào)電壓較大 經(jīng)過特殊工藝調(diào)整可以降低 只能工作在很低的電壓 帶寬窄 MOS FET工藝 這類運放特別適合嵌入式系統(tǒng) 因為工作電壓低 正好適合電池系統(tǒng) MOS工藝很低的工作電流 也滿足系統(tǒng)節(jié)電的需求 低廉的成本適合量產(chǎn)產(chǎn)品控制成本 較大的失調(diào)電壓對于便攜產(chǎn)品則不太重要 TI是第三大的半導體商 模擬電路則是全球第一 因此TI擁有最為繁多的MOS運放 MOS FET工藝 例如 MCP6002 TLC2272 TLV2462等等 三種工藝的比較 LM358LM324 最常見的一種運放 成本很低 一元以下 工作電壓范圍很寬 最大特點是輸入和輸出范圍可以達到地甚至低于地 缺點是帶寬較窄 約1MHz 失調(diào)電壓和偏置電流都比較大 轉(zhuǎn)換速度也非常低 約0 2V uS 電源電壓最低可以達到單3V TL082LF356LF353 常見的J FET運放 TL082 TI 和LF356 LF353的性能很接近 價格也較接近 輸入阻抗達到10 12 左右 轉(zhuǎn)換速度在10V uS左右 失調(diào)電壓可以達到10mV 帶寬為5 10MHz 電源電壓需要 5V以上 MCP600X Microchip公司的低成本CMOS運放 價格在1元左右 電源電壓為1 8 5 5V 軌到軌輸入和輸出 工作電流僅100uA左右 輸入電阻達到10 13 左右 比JFET高一個數(shù)量級 失調(diào)電壓可達5mV 帶寬僅1MHz 轉(zhuǎn)換速度僅0 6V uS OP07 經(jīng)典的高精度運放 雙極型工藝 各個公司退出OP07的兼容升級版本 如ADI公司的OP27 OP37 TI公司的OPA77等等 失調(diào)電壓在100uV以下 速度很低 帶寬僅0 4MHz 轉(zhuǎn)換速度僅0 3V uS 電源電壓 3V以上 AD8552 號稱世界上最精密的運放 取代斬波式 失調(diào)電壓達到1uV以下 偏置電流10pA 軌到軌輸入和輸出 電源電壓2 7V 5 5V 共模抑制比140dB 電源抑制比130dB 帶寬僅1MHz 上升速度0 5V uS 謝謝